基于逆流色谱的分离设备动平衡性能测试系统设计

霍亮生, 顾祖宝, 曹学丽, 裴海生

(1.北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;2.北京工商大学食品学院,北京 100048)

基于逆流色谱的分离设备动平衡性能测试系统设计

霍亮生1, 顾祖宝1, 曹学丽2, 裴海生2

(1.北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048;2.北京工商大学食品学院,北京 100048)

由于天然活性物质应用越来越广泛,产生了一种连续高效的逆流色谱法和基于逆流色谱的分离纯化设备,而动平衡性能是评价该设备的一个重要因素.选用压电式加速度传感器、光电编码器、K60主控制器等器件对设备的动平衡测试系统进行设计,并把测试结果实时显示在上位机上,指导偏心质量调整.测试过程自动化程度和精度高,便于用户实时监测.测试系统为该设备的稳定高效运行奠定了基础,同时也为其他工业设备的动平衡性能测试及偏心质量调整提供了实践经验.

逆流色谱;分离设备;动平衡性能;压电式加速度传感器

天然活性物质越来越广泛地应用于植物提取、保健品、化妆品、食品和制药等行业中,所以天然活性物质的分离提纯方法和提取设备一直是国内外研究的热点[1-2].传统的分离提取方法,如萃取法、浸泡法、水蒸气蒸馏法等,都只适合用于天然活性物质的粗提取,提取物杂质含量大,且提取效率低[3].人们一直在寻求一种高效的提取纯化方式,逆流色谱法应运而生.逆流色谱是一种连续高效的液-液分配色谱技术,无须任何固态载体,同时具有分配色谱和液液萃取的优点[4-6].为了使逆流色谱技术更为高效地为社会各行业所用,对提取设备的要求也越来越高,其中动平衡性能便是其中的一个重要评判标准.因此,对设备进行动平衡性能测试具有重要的作用,而动平衡性能的测试首先需要搭建测试系统.

1 分离设备立体结构分析

新型的分离设备主体结构封装在方形外壳中,具有公转轴和自转轴,转动力矩由电机通过齿形带传递,在分离纯化过程中圆柱形支撑体在公转的同时围绕自转轴自转.由此可见,此设备的运行过程和结构较为复杂,其中包括动力传递、轴的转动、轴与轴承的配合、轴与齿形带轮及支撑体间的键连接等,此外,材质不均匀、加工及装配的误差和设计时的非对称结构等都会影响设备整体的动平衡性能[7-9].分离设备主体结构模型如图1.

图1 分离设备主体结构模型Fig.1 Main structuremodel of separation equipment

若设备动平衡性能不好,其产生离心力作用在机械零部件上,会引起振动,产生噪声,加速零件磨损,缩短机械寿命,严重时能造成破坏性事故.为此,必须对设备的动平衡性能进行测试,力求找到影响设备动平衡性能的最大惯性离心力的方位,以便在相应的位置上进行配重处理,减小不平衡力[10-12].

2 测试系统的总体构成

动平衡性能测试系统主要由压电式加速度传感器、电荷放大电路、光电编码器、主控制器、上位机以及电平转换电路组成[13],如图2.

图2 测试系统的组成Fig.2 Composition of testing system

光电编码器主要是测量设备中的轴位置信号,压电式加速度传感器和电荷放大器主要是接收外部离心力信息的激励并响应,主控制器把传感器的响应信号转变为可接收的数字信号,并存储于数据存储区,然后主控制器经过对采集数据的分析处理,得到最大离心力方位信息,此信息经过电平转换电路实时传递并在上位机上显示.

2.1 主控制器

主控制器选用飞思卡尔公司最新推出的高性能、低功耗、低成本的K60芯片[14].其最高工作频率为100 MHz,可以满足数据采集处理的实时性要求,内部的大容量存储空间可以保证数据存储准确不丢失,提供了多路高精度的AD采样通道,内部的FTM模块兼有PWM输出、输入捕捉和正交编码等功能,为压电式加速度传感器和光电编码器提供了接口,同时它内部还集成了UART通信接口模块,方便了和上位机间的通信.软件采用C语言开发,执行效率高,可移植性好,C语言已经成为电子开发、微机控制行业的主流开发语言.

2.2 压电式加速度传感器

测试过程中涉及惯性离心力的测量,而控制器只能接收并处理电信号,所以需要通过能量转换把非电量信号转换为电信号,以便控制器的采集处理.压电式加速度传感器体积小、灵敏度高、质量轻、测量范围宽,因而广泛应用于控制过程中惯性离心力的测量[15-16].压电式加速度传感器的压电材料受到一定的机械载荷时,会在压电晶体两极化表面产生等量的正负电荷,而电荷量的大小则与载荷的大小成正比,因为压电晶体绝缘电阻很高,此时压电式加速度传感器的结构可以简化为一块平行的电容板[17-18],如图3.

图3 压电式加速度传感器简化结构Fig.3 Simplified structure of piezoelectricity type acceleration sensor

其电容量的计算公式为:

若施加外载荷为F,所产生的电荷量计算如式(2):

式(1)和式(2)中,ε为压电晶体的介电常数;A为极板面积;L为压电晶体的厚度;d为压电系数.

压电晶体一旦确定后,ε、A、d、L都是常数,所以压电晶体上产生的电荷Q与所受载荷F成正比.当加速度传感器受到振动时,压电晶体的两个表面则会产生交变电荷,此交变电荷与所受载荷成正比.本测试系统中使用两个压电式加速度传感器,分别安装在设备外壳的顶面和一个侧面.

2.3 电荷放大器

由于压电式加速度传感器是电荷输出型器件,所以还需要有与传感器匹配的电荷放大电路.电荷放大电路具有两方面的作用,一是把传感器输出的微弱的电荷信号放大,提高采样精度,二是把电荷信号转换为控制器可识别的电压信号[19].电荷放大电路如图4.

图4 电荷放大电路Fig.4 Charge amplifier circuit

2.4 光电编码器

为了找到最大离心力的位置,必须有标记轴转角度的光电编码器,光电编码器可输出A、B和Z 3路脉冲,Z脉冲标记轴转过的圈数,A脉冲或B脉冲记录当前脉冲个数.360线光电编码器安装在电机轴上,电机轴带轮与传动轴带轮的传动比为2,测试元件安装示意图如图5.

图5 测试元件安装示意Fig.5 Installation diagram of testing components

为了得到准确的位置信号,光电编码器安装时,当检测到Z脉冲,在传动带轮上标记基准位置.

2.5 上位机

上位机是相对于下位机而言,下位机一般指微控制系统,上位机指的是可以发出控制命令并且可以接收显示下位机状态的计算机,一般为PC机.本文中上位机可以对测试系统发出开始和停止测试命令,实时显示由控制系统分析计算所得到的离心力方位.上位机可以全过程监控测试过程,使用户直观地获取测试结果信息,因而在电子开发、工业控制中应用广泛.

2.6 电平转换电路

UART(异步串行通信)是一种较为简单且应用广泛的通信方式,传送速率可以通过寄存器设定,具有奇偶校验位以保证传输数据的准确性.本测试系统采用三线制全双工通信实现上位机和下位机的信息交互.但是下位机的TTL电平与上位机的RS232电平并不匹配,因此需要通过电平转换实现电平匹配.选用MAX3232芯片,电平转换电路如图6.图6中UART0_TX、UART0_RX分别接入控制器UART模块的发送和接收引脚,而DB_TXD和DB_RXD引脚接入九针串口公头,通信时将此公头插入PC机上的母头.

3 测试过程及处理方法

图6 电平转换电路Fig.6 Level transformation circuit

整个测试过程包括数据采集、数据发送显示和数据分析处理.数据采集是主控器的AD通道把压电式加速度传感器感知的电信号数字化的过程,数据采集的准确性将直接影响分析结果.采集的结果经过通信线路传给上位机显示,用户可直观地接收采集结果.数据的分析处理是针对采集存储的数据运用有效的方法寻求结果的过程,当判断出最大离心力方位时,还需进行配重处理,使设备能够稳定运行,最后在不同转速下测试设备动平衡性能.

3.1 数据采集

因为传动轮盘一周加工有12个配重螺孔,所以传动轮转一圈时,采集加速度传感器的12个数值.传动比为2,电机需要转动两圈.即光电编码器转过720个脉冲,采集12个数据,每过60个脉冲采集一次.采集结果发送给上位机显示.测试时逐渐由低到高调节电机的转速,实验中当电机转速为1 000 r/min,可明显感觉到设备的振动较大.此时采集记录传感器数值并用MATLAB绘制成图,如图7.横轴表示采样点次数,纵轴为传感器采集的数字量,范围为0～256.

3.2 偏心质量调整

图7 动平衡性能测试结果Fig.7 Testing result of dynam ic balance

对设备结构进行偏心质量调整,即需要改变转子的质量分布,使转子圆周方向上的离心力分布均匀.由图7结果可知,第5次采集的数值最大,即离心力最大,因为Z脉冲标记的基准为第一个配重螺孔,为抵消离心力,此时需要在第5个配重螺孔相对位置上增加配重垫片,实现设备在该转速下的动平衡(如图8).

图8 偏心质量调整示意Fig.8 Eccentric mass adjustment diagram

3.3 动平衡性能测试

前述过程进行了一次配重调整,逐渐调高设备运行速度,重复上述过程,最终可以实现设备动平衡.为了验证设备的动平衡性能,分别在不同的转速条件下采集数据,如表1.

表1 不同转速下设备的动平衡性能测试结果Tab.1 Testing result of dynamic balance under different speeds

由表1中数据可知,转速越高,采集结果越大,这是由压电式加速度计的性能决定的.重点在于在任一转速下,采集结果均在特定的范围内波动,且在设备运转过程中,已经明显察觉不到设备的振动,设备可以实现动平衡.

4 结束语

针对逆流色谱的分离纯化设备,结合了现代传感器、电工电子、微机控制等技术手段,开发了其动平衡性能的测试系统,该测试系统自动化程度高且测试结果较为精确,为该设备的稳定高效运行提供了条件,同时该测试系统可以很方便地移植到其他工业设备上,丰富了动平衡性能测试方面的经验.

[1] 王尉,杜宁,周晓晶.高速逆流色谱技术在天然产物研究方面的应用[J].现代科学仪器,2010(4):123-128.

[2] 魏云,曹学丽.值得关注的分离科学技术—逆流色谱技术[J].世界科学技术,2001,3(5):17-22.

[3] Koichi I,Erika B,TomoakiH,etal.A strategy for highspeed countercurrent chromatography purification of specific antioxidants from natural products based on on-line HPLCmethod with radical scavenging assay[J].Food Chemistry,2012,134(4):2276-2282.

[4] 刘迪,陈雪峰,宋晓宇.高速逆流色谱技术应用现状[J].食品与机械,2006,22(2):98-101.

[5] 刘江,周荣琪.离心分配色谱技术及其在天然产物分离中的应用[J].化工进展,2003,22(11):1176-1181.

[6] Nazim M,Joseph C,Vincent D,et al.Purification of coomassie brilliant blue G-250 by multiple dual mode countercurrent chromatography[J].Journal of Chromatography A,2012,1232:134-141.

[7] 邓建朝,肖小华,李攻科.逆流色谱仪器装置的研究进展[J].化学通报,2009(10):860-869.

[8] 赵午云,郭维强.动平衡测试技术方法浅析[J].机械工程师,2004(4):15-18.

[9] 唐善华.刚性转子动平衡测试原理与实现[J].武汉工业学院学报,2007,26(2):36-39.

[10] 何兵.刚性转子动平衡技术现状与展望[J].泸州职业技术学院学报,2007(2):59-62.

[11] Liu Shi,Qu Liangsheng.A new field balancingmethod of rotor systems based on holospectrum and genetic algorithm[J].App lied Soft Computing,2008,8(1):446-455.

[12] Liu Shi.A modified low-speed balancing method for flexible rotors based on holospectrum[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21(1):348-364.

[13] 王四季,廖明夫.转子现场动平衡技术研究[J].机械科学与技术,2005:24(12):1510-1514.

[14] 王宜怀,吴瑾,蒋银珍.嵌入式原理与实践——ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京:电子工业出版社,2012:258-288.

[15] 陆兆峰,秦旻,陈禾,等.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究[J].仪表技术与传感器,2007 (7):3-4.

[16] Kang Along,Lin Jinqiu,Ji Xiaojun,et al.A high-sensitivity pressure sensor based on surface transverse wave [J].Sensors and Actuators A:Physical,2012,187:141 -146.

[17] 杨卓君,廖明夫.基于加速度传感器测量扭振方法的研究[J].噪声与振动控制,2008(5):163-167.

[18] 李翠,李效民,钟美芳.压电式加速度传感器的智能应用[J].实验室研究与探索,2010,29(10):231-234.

[19] 陶玉贵.压电加速度传感器测量电路研究[J].科技信息,2011(31):52-53.

Design of Dynam ic Balance Testing System of Separation Equipment Based on Countercurrent Chromatography

HUO Liangsheng1, GU Zubao1, CAO Xueli2, PEIHaisheng2
(1 School ofMaterials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China;2 School of Food and Chemical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Because of the wide use of the natural bioactive substance,a continuous and efficient countercurrent chromatography and the separation equipment based on itwere presented.The dynamic balance was one of the important factors to evaluate the equipment.The dynamic balance testing system was designed using piezoelectricity type acceleration sensor,optical encoder,and the main controller K60. The result could be shown on the host computer in order to instruct eccentric mass adjustment.The testing system had high automation and accuracy and itwas real-timemonitoring.The testing system provided the foundation for the stable of the equipmentand practical experience for other industrialequipments and eccentric mass adjustment.

countercurrent chromatography;separation equipment;dynamic balance;piezoelectricity type acceleration sensor

TS203;TM932;O6-332

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.04.009

2095-6002(2014)04-0045-05

(责任编辑:檀彩莲)

霍亮生,顾祖宝,曹学丽,等.基于逆流色谱的分离设备动平衡性能测试系统设计.食品科学技术学报,2014,32 (4):45-49. HUO Liangsheng,GU Zubao,CAO Xueli,et al.Design of dynam ic balance testing system of separation equipment based on countercurrent chromatography.Journal of Food Science and Technology,2014,32(4):45-49.

2013-09-02

霍亮生,男,教授,博士,主要从事食品机械结构设计、嵌入式系统控制的研究.